基于ZnO- SiO2 為電子傳輸層的全無機鈣鈦礦太陽能電池

張巖鷹

（哈爾濱師范大學，黑龍江 哈爾濱150500)

1 概述

近年來，隨著傳統化石能源面臨著逐漸枯竭和嚴重的環境污染問題，清潔能源的開發與利用更加迫在眉睫。太陽能作為清潔能源的重要來源之一：具有來源廣、污染小等優點[1]，其中鈣鈦礦作為新興的太陽能電池在近幾年的發展中快速達到較高的光電轉換效率23%[2]，但其滯后性和穩定性一直未得到改進[3]，主要原因是界面載流子復合以及界面與界面之間存在缺陷。典型的鈣鈦礦太陽能電池主要是由電子傳輸層，鈣鈦礦層以及空穴傳輸層構成[4]。其中ZnO 因具有直接寬禁帶、高電子遷移率和透明導電性等特點被廣泛應用于電子傳輸層，但ZnO 表面的羥基和氧空位等缺陷導致電池嚴重不穩定性和能量損失[5]。本實驗采用SiO2水解的方法有效的鈍化了ZnO, 由改良后的ZnO構成的鈣鈦礦太陽能電池具有增強的開路電壓，短路電流，填充因子并且實現了12.42%的光電轉換效率。

2 實驗

2.1 電池組裝：依此使用玻璃清洗劑，去離子水，丙酮，異丙醇超聲清洗每次10min，氮氣吹干后臭氧處理15min。ZnO 前體溶液是根據文獻制備[6]，將其以4000rpm 30s 的速度旋涂到ITO玻璃上，在200℃的空氣中退火20 分鐘。將基板轉移到呈有水解溶液的玻璃培養皿中，在烘箱25℃的條件下浸泡所需時間后用乙醇沖洗并吹干，在200℃的空氣中退火30min，然后將基板轉移到氮氣手套箱中。將鈣鈦礦溶液以3000rpm 40s 的速度旋涂到基底上并在270℃的溫度下退火10 分鐘。將PTAA 溶液（溶于氯苯中10mg/mL）以2500rpm 40s 的速度旋涂到鈣鈦礦層上。最后通過真空計蒸發MoO3（6nm）和Ag（80nm）到PTAA 上。電池的有效面積是4mm2。

2.2 鈣鈦礦溶液的合成：將0.3mmoLCsI,0.3mmoLPbI2,0.1mmoLPbBr2和0.1mmoLCsBr 加入到1mL 的DMF 和DMSO 的混合溶液中(體積比為4：1),手套箱中60℃下磁力攪拌一夜，直至溶液呈透明黃色溶液。

2.3 水解溶液的合成：取16mL 的無水乙醇加入4mL 去離子水，200uL 正硅酸乙酯和80uL 氨水，共同放到50mL 藍口瓶中，常溫下放在磁力攪拌器下攪拌10h。

3 結果與討論

用掃描電子顯微鏡（SEM）研究CsPbI2.25Br0.75薄膜的形貌。通過圖1a 可以清楚看到形成的晶粒有大有小不規整，而圖1b 中經過SiO2修飾的ZnO 上形成了具有較大晶粒的CsPbI2.25Br0.75晶體膜，對于鈣鈦礦晶體來說晶粒尺寸的增加導致晶粒邊界更少，從而減少了電荷復合，并且經過SiO2修飾的ZnO 上的鈣鈦礦薄膜更加平整，從圖2d 中可以看出整個電池具有較理想的平整性，當浸泡時間為3 分鐘時SiO2 的修飾達到最理想的狀態使得整個電池獲得最高的光電轉化效率。通過對CsPbI2.25Br0.75薄膜進行紫外可見吸收光譜測試如圖2(a)，CsPbI2.25Br0.75薄膜的Tauc 曲線如圖2(b)所示，表明帶隙為1.87eV。通過查閱文獻可知SiO2修飾過的ZnO 的導帶較高與CsPbI2.25Br0.75的導帶匹配良好，這可以減少從鈣鈦礦到ZnO 的電子轉移過程中的能量損失，從而獲得更高的光電轉化效率。圖3 為基于不同電子傳輸層的電池J-V 曲線。當ZnO 單獨作為電子傳輸層時電池展現出較低的光電轉化效率為9.9%，短路電流18.49mA/cm2，開路電壓0.97V，填充因子僅為54.24。電池效率較低的原因主要是由于晶界表面存在大量缺陷，導致載流子發生復合。當使用SiO2鈍化后的ZnO-SiO2為電子傳輸層時，界面復合大大減少，不同程度上提高了整個電池的光電轉化效率，其中當浸泡時間為3 分鐘時獲得最高的光電轉化效率12.42%，短路電流也提升到19.37mA/cm2，開路電壓提升到1.02V，填充因子也上升為66.53。提升的原因不僅是因為修飾后再旋涂的鈣鈦礦晶粒變大，表面更平整，同時也修飾了界面與界面間的接觸，在能級更加匹配的基礎上大大的減少了能量損失和電子復合從而獲得了更高的光電轉化效率。

4 結論

本實驗通過利用SiO2修飾ZnO 作為電子傳輸層從而提高了電池的光電轉化效率。在純ZnO 作為電子傳輸層得到的電池效率9.9%的基礎上提升了大約25%。該實驗方法不僅修飾了電子傳輸層以及界面間的缺陷同時也使得電子傳輸層與鈣鈦礦之間的能級更加匹配，為優化電子傳輸層提供了新思路。

圖1(a)zno/鈣鈦礦的表面掃描電鏡圖像，(b)Zno/SiO2/鈣鈦礦的表面掃描電鏡圖像，(c)模擬的電池結構示意圖，（d）整個電池截面的掃描電鏡圖像

圖2(a)CsPbI2.25Br0.75 的紫外吸收光譜，（b）CsPbI2.25Br0.75 的能帶

圖3 基于不同電子傳輸層的電池J-V 曲線